蔣利軍:固態(tài)儲(chǔ)氫材料成果豐碩 走出一條氫能發(fā)展之路
來源: 中國(guó)科學(xué)報(bào) 2020-03-31 09:16:09
當(dāng)前我國(guó)正面臨著能源安全和碳排放兩大挑戰(zhàn),必須調(diào)整當(dāng)前過度依賴化石能源的能源結(jié)構(gòu),向著低碳、清潔、智能化的方向發(fā)展。
將氫能納入到我國(guó)整個(gè)能源體系中,有助于改善我國(guó)的高碳能源結(jié)構(gòu),保障能源安全。其應(yīng)用不僅是備受關(guān)注的燃料電池汽車,還應(yīng)包括氫能發(fā)電、工業(yè)應(yīng)用及其建筑應(yīng)用等。
國(guó)家有色金屬新能源材料與制品工程技術(shù)研究中心主任蔣利軍認(rèn)為,在整個(gè)氫能供應(yīng)鏈中,高密度安全儲(chǔ)運(yùn)氫已是主要的瓶頸問題。采用固態(tài)儲(chǔ)氫既可以大幅提高體積儲(chǔ)氫密度,又可以提高儲(chǔ)運(yùn)氫的安全性??蔀榻鉀Q人們最關(guān)心的氫能高密度儲(chǔ)存和安全應(yīng)用這兩個(gè)問題,提供重要的解決方案。
密度高又安全的固態(tài)儲(chǔ)氫
“固態(tài)儲(chǔ)氫相對(duì)于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲(chǔ)氫,具有體積儲(chǔ)氫密度高、工作壓力低、安全性能好等優(yōu)勢(shì)。”蔣利軍說,如與燃料電池一體化集成,可充分利用燃料電池余熱,吸熱放氫,降低系統(tǒng)換熱用能,使得整個(gè)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的能源效率得以提高。
氫具有最高的重量比能量,但其體積能量密度很低。因此為將氫能推向?qū)嵱?,需大幅提高氫能的體積能量密度。
蔣利軍介紹,目前一般采用高壓壓縮、液化或固化的方式,提高體積儲(chǔ)氫密度。在這三種方式中,固態(tài)儲(chǔ)氫具有最高的體積儲(chǔ)氫密度。
因此,采用固態(tài)儲(chǔ)氫是提高體積儲(chǔ)氫密度的最有效途徑。這是由其本征的儲(chǔ)氫特性所決定的,氫氣先在其表面催化分解為氫原子,氫原子再擴(kuò)散進(jìn)入到材料晶格內(nèi)部空隙中,形成金屬氫化物,因而其儲(chǔ)氫密度比液氫還高。
此外,雖然氫氣具有容易向上逃逸、迅速擴(kuò)散的安全優(yōu)勢(shì),但也依然存在著一些固有的安全隱患,如其粘度最小,易泄漏,同時(shí)氫氣燃燒濃度極限范圍寬,當(dāng)氫氣出現(xiàn)泄漏并局部聚集,如遇火源,易發(fā)生燃爆。
高壓儲(chǔ)氫存在著高壓泄漏、液氫儲(chǔ)氫存在著蒸發(fā)泄漏等安全隱患,固態(tài)儲(chǔ)氫可做到常溫常壓儲(chǔ)氫,儲(chǔ)氫容器易密封,并且當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件,出現(xiàn)氫氣泄漏時(shí),由于固態(tài)儲(chǔ)氫放氫需吸收熱量,因而可以自控式地降低氫氣泄漏速度和泄漏量,為采取安全措施贏得時(shí)間,從而提高了儲(chǔ)氫裝置的使用安全性。
固態(tài)儲(chǔ)氫材料成果豐碩
蔣利軍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,近年來,國(guó)際上在固態(tài)儲(chǔ)氫應(yīng)用和新型儲(chǔ)氫材料的研發(fā)方面取得了諸多進(jìn)展。
成熟的儲(chǔ)氫材料已在熱電聯(lián)供、儲(chǔ)能、摩托車載燃料電池等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。德國(guó)HDW公司將開發(fā)的TiFe系固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)用于燃料電池AIP潛艇中,取得了固態(tài)儲(chǔ)氫迄今為止最成功的商業(yè)應(yīng)用。
我國(guó)近年固態(tài)儲(chǔ)氫應(yīng)用也取得了較大進(jìn)展。TiMn系固態(tài)車儲(chǔ)氫系統(tǒng)已成功應(yīng)用于燃料電池客車中,不需高壓加氫站,在5MPa氫壓下15分鐘左右即可充滿氫,已累計(jì)運(yùn)行1.5萬公里。40m3固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)與5kW燃料電池系統(tǒng)成功耦合,作為通信基站備用電源,可持續(xù)運(yùn)行16小時(shí)以上。小型儲(chǔ)氫罐已批量用于衛(wèi)星氫原子鐘中,為其提供了安全氫源。并已形成了3項(xiàng)固態(tài)儲(chǔ)氫相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
據(jù)蔣利軍介紹,盡管上述儲(chǔ)氫材料技術(shù)已較為成熟,并得到了實(shí)際應(yīng)用,但其重量?jī)?chǔ)氫率仍然偏低,難以滿足車載儲(chǔ)氫的技術(shù)要求,需要更高重量?jī)?chǔ)氫率的新型儲(chǔ)氫材料。這些高容量?jī)?chǔ)氫材料多為輕元素形成的離子鍵、共價(jià)鍵氫化物,但鍵合力太強(qiáng),放氫溫度過高。
蔣利軍說,對(duì)于這些新型高容量?jī)?chǔ)氫材料,目前主要通過納米化、復(fù)合化和催化等方法,來調(diào)控其熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和循環(huán)壽命性能。近年也取得了一些重要進(jìn)展。
如韓國(guó)漢陽大學(xué)制備出了三維碳材料納米限域和過渡金屬修飾的MgH2納米復(fù)合材料,可在80℃放出4wt%的氫氣,180℃下放氫量可達(dá)6.55wt%,并具有較好的吸放氫循環(huán)性能;澳大利亞新南威爾士大學(xué)制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的鎳催化氨硼烷納米儲(chǔ)氫材料,使原來不可逆儲(chǔ)氫的氨硼烷具有了部分可逆儲(chǔ)氫性能。
我國(guó)近期合成的N-Nb2O5摻雜的MgH2起始放氫溫度也已降至170 °C。但是總體來看,這些材料仍存在熱力學(xué)穩(wěn)定性過高、儲(chǔ)氫量偏低、可逆性尚差等問題。
市場(chǎng)為導(dǎo)向,走出象牙塔
盡管國(guó)內(nèi)外固態(tài)儲(chǔ)氫材料的研究成果不斷,蔣利軍仍認(rèn)為這類材料的綜合性能還不能完全滿足燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用要求,特別是燃料電池乘用車車載儲(chǔ)氫的要求。
成熟體系的儲(chǔ)氫材料重量?jī)?chǔ)氫率偏低,這些材料包括稀土系、Ti系和TiV固溶體材料,其中最高的TiV固溶體材料可逆儲(chǔ)氫量也僅有2.6wt%。為提高重量?jī)?chǔ)氫率,開發(fā)了一系列的配位氫化物、金屬氨基氫化物、金屬氨硼烷等輕質(zhì)高容量?jī)?chǔ)氫材料,雖然具有較高的重量?jī)?chǔ)氫率,但這些材料仍存在著吸放氫溫度高、吸放氫速度慢、可逆吸放氫循環(huán)性能差、低成本規(guī)?;苽浼夹g(shù)欠缺等問題。
此外,儲(chǔ)氫材料成本偏高也是制約其發(fā)展的一個(gè)重要因素。一方面,受有色金屬原料價(jià)格波動(dòng)影響,儲(chǔ)氫材料的原料成本變動(dòng)大;另一方面,這些材料應(yīng)用的市場(chǎng)還較小,制造批量小,成品率低,導(dǎo)致其制造成本也較高。
蔣利軍說,要解決這些問題,就要讓研究走出象牙塔,直接面向市場(chǎng)需求,與最終用戶緊密合作,開展實(shí)用型儲(chǔ)氫新材料開發(fā)、配套工程化和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。
第一,加快成熟儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用。要認(rèn)真分析細(xì)分市場(chǎng),在現(xiàn)有成熟的儲(chǔ)氫材料中篩選出性價(jià)比最合適的配對(duì)材料,開展工程化和應(yīng)用技術(shù)研究,使成熟的儲(chǔ)氫材料能盡快在特定的細(xì)分市場(chǎng)中得到很好的應(yīng)用。
第二,以產(chǎn)品為導(dǎo)向,開發(fā)高容量?jī)?chǔ)氫新材料,以滿足綜合性能為導(dǎo)引,避免片面追求高容量,做到有的放矢。
第三,將成本核算引入到研發(fā)階段,研發(fā)時(shí)不僅要追求高性能,同時(shí)要充分考慮材料成本和批量制造成本,找到原材料成本低、批量制備技術(shù)易于控制的材料和技術(shù)。
第四,由于儲(chǔ)氫系統(tǒng)涉及氫和壓力容器問題,使用安全至關(guān)重要,必須要以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為保障,目前儲(chǔ)氫材料和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及安全評(píng)價(jià)體系尚待完善,相關(guān)安全評(píng)價(jià)裝備和檢測(cè)基地也不完備,需要從宏觀層面加以推動(dòng)。
減少碳排放,必須發(fā)展高比例可再生能源,但可再生能源在時(shí)空間是不穩(wěn)定的,需要發(fā)展氫儲(chǔ)能等大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù),通過儲(chǔ)能的手段,適時(shí)調(diào)配能源,將波動(dòng)較大的可再生能源變成高品質(zhì)能源。
蔣利軍認(rèn)為,氫能既可以大規(guī)模儲(chǔ)存,又可以跨區(qū)域跨季節(jié)的調(diào)度,而且使用多樣化,使整個(gè)能源體系變得更高效、更柔性。氫能將通過電氫協(xié)同,成為整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的橋梁和紐帶,與太陽能、風(fēng)能等清潔能源一起,構(gòu)成清潔的、可持續(xù)的能源體系。
蔣利軍對(duì)固態(tài)儲(chǔ)氫的經(jīng)濟(jì)性很有信心。他認(rèn)為,內(nèi)蒙地區(qū)風(fēng)能、稀土資源豐富,但目前棄風(fēng)嚴(yán)重,鑭鈰稀土積壓嚴(yán)重,而稀土儲(chǔ)氫材料恰恰大量使用了鑭鈰元素。如能借機(jī)在當(dāng)?shù)匕l(fā)展風(fēng)電制氫、稀土系固態(tài)儲(chǔ)氫,則能使這兩種優(yōu)勢(shì)資源協(xié)同發(fā)展,走出一條有中國(guó)特色的氫能發(fā)展之路。(記者 池涵)
標(biāo)簽: 氫能
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